Загальний опис ВОЛЗ
В основі оптоволоконних технологій лежить принцип використання світла як основного джерела інформації. Світло набагато простіше передати на далекі відстані з меншими втратами, ніж електричний струм. Крім того, він значно менше схильний до дії електромагнітних полів і здатний передавати на порядки більшу кількість інформації. Оптичні лінії самі не є джерелами електричних перешкод.
За оптоволокну відбувається передача електромагнітного випромінювання оптичного діапазону довжин хвиль, відповідного частотам 1014-1015 Гц, що забезпечує дуже високу пропускну здатність і швидкодія.
Висока перешкодозахищеність ВОЛЗ обумовлена тим, що в природі та промисловості фактично відсутні джерела електричного і магнітного поля напруженості, які здатні змінити умови поширення світлового імпульсу в оптоволокне. Крім цього найчастіше оптичні кабелі не містять металевих елементів, тому проблем, пов'язаних з різницею потенціалів поверхів і будівель, з блукаючими струмами в грунті і т. П. Не виникає. Волоконно-оптичні системи мають майже повну електричну ізоляцію, не бояться підвищеної вологості, не вимагають обладнання, що захищає їх від витоків, пробоїв і короткого замикання. Напівпровідникові приймачі і передавачі світла мають досить високою стабільністю.
Відомо, що з найменшими втратами світло поширюється по повітрю і в склі. Наприклад, сучасні волокна мають згасання, рівне 0,2 дБ / км, що дає на довжині 100 м загасання 0,02дБ. На цій же довжині сучасний високоякісний електричний симетричний кабель має загасання близько 20 дБ, т. Е. В 1000 разів більше.
Спочатку ВОЛЗ застосовувалися в військово-промисловому комплексі. Всім сучасним успіхам ВОЛЗ зобов'язані активному розвитку озброєнь в середині і в кінці минулого століття. Несприйнятливість ВОЛЗ до електромагнітних наведень і висока швидкість передачі інформації зумовили їх застосування в системах зв'язку між контрольно-вимірювальними і командними комплексами, до складу яких входили ЕОМ. За зарубіжними даними 80-х рр. близько 5000 окремих ВОЛЗ загальною довжиною 150 км між комп'ютерами використовувалися в складі командного комплексу ракетної системи МХ, забезпечуючи передачу інформації зі швидкістю 3,2 Мбіт / с [1].
Зрозуміло по ВОЛЗ неможливо передати напруга живлення для пристроїв, що працюють за технологією PoE, для ВОЛЗ застосовується складне і дороге активне оптоелектронні обладнання, технологія виробництва оптичних кабелів і трансиверів складніше і дорожче, робота з ВОЛЗ обумовлює підвищені вимоги до кваліфікації і культури виробничого персоналу. При роботі з ВОЛЗ необхідно брати до уваги старіння оптоволокна під дією вологи і жорсткого гамма-випромінювання.
Структурна схема волоконо-оптичної лінії зв'язку приведена на рис. 1.
Оптичний передавач (optical transmitter) і оптичний приймач (optical reciever) виділені пунктирною лінією. У точці 1 світловий сигнал виникає, в точці 2 світловий сигнал зникає.
При цьому передавач і приймач об'єднують конструктивно в один пристрій - приймач або трансивер (transciever), - імееющій два оптичних адаптера для приєднання двох оптоволокон. Саме тому мережева картка комп'ютера має на виході адаптер для двох оптоволокон: по одному світло входить в картку, по іншому виходить з неї.
На малюнку приведена залежність відстані, на яке передається Інформція від швидкості її передачі при використанні кабелю з втратами 2,7 дБ / км і светоизлучающего діода з довжиною хвилі випромінювання 0,84 мкм і спектральної шириною лінії 0,03 мкм:
1 - світловод зі ступінчастим профілем
2 - світловод з градієнтним профілем
Зменшення загасання в кабелі та удосконалення системи введення призводить до збільшення довжини передачі. Необхідно правильне з'єднання фотоприймача з световодом, що зводить до мінімуму втрати на відбиття, наприклад з використанням "просветляющего" шару між торцем світлодіода і вікном фотоприймача.
Оптоелектронні прилади для ВОЛЗ
Побудова ВОЛЗ в сучасному вигляді стало можливо завдяки колосальному прориву в розвитку напівпровідникової оптоелектроніки починаючи з 60-х рр. минулого століття.
Якщо говорити про джерела світлового випромінювання, то необхідно відзначити створення напівпровідникових лазерів поверхневого випромінювання з вертикальним об'ємним резонатором. Це довгохвильові VCSEL-лазери (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), що є прекрасною альтернативою більш дорогим традиційним торцевих (edge-emitting) лазерів Фабрі-Перо і лазерів з розподіленою зворотним зв'язком (Distributed Feed Back - DFB).
Лазери DFB і Фабрі-Перо часто вимагають спеціальних оптичних елементів (coupling) для введення в волокно формованого ними променя з еліптичних профілем і широкою діаграмою спрямованості (wide divergence), що ускладнює складання оптичних систем і збільшує їх вартість.
Напівпровідникові лазери VCSEL формують промінь з вузькою діаграмою спрямованості (low divergence) і симетричним профілем.
Лазер VCSEL має резонатор, розташований перпендикулярно площині підкладки, це полегшує тестування лазерів в процесі виробництва, а в результаті знижується вартість їх складання. В даний час його собівартість становить близько $ 2.
У 80-і рр. Томський НІІПП розробив серію світлодіодів для діапазону 0, 85 мкм і 1,3 мкм в корпусах, які представляють розетку уніфікованого оптичного роз'єму. Ці діоди характеризуються швидкодією 8-15 нс, прямі струми - до 50 мА, високу лінійність ват-амперної характеристики, діаметр випромінюючої майданчики - 200 мкм, що вводиться в оптичне волокно потужність - 0,02-0,5 Вт.
Фізико-технічний інститут ім. Іоффе розробив одномодові і багатомодові лазери з довжиною хвилі 1,3 мкм з високою потужністю при невеликих токах накачування з малою шириною обвідної спектра. Для одномодових лазерів вводиться в оптоволокно потужність становила 0,5-10 мВт при токах накачування 30-250 мА і ширині обвідної спектра 10-15 нм. Багатомодові лазери з довжиною хвилі випромінювання 1,3 мкм забезпечували вводиться потужність випромінювання до 50 мВт при токах накачування до 600 мА.
Для застосування в рефлектометром розроблені швидкодіючі піко секундні лазери з довжиною хвилі 0,8 мкм і 1,3 мкм, що забезпечують тривалість імпульсу випромінювання 6-30 пс при потужності випромінювання до 500 мВт. Створений в ФІАН одномодовий лазер з довжиною хвилі 1,3 мкм забезпечував потужність випромінювання, що вводиться в оптичний модуль оптоволокна 1,5 мВт при робочому струмі 80 мА. Модуль мав плоску конструкцію, малі розміри, забезпечував висновок випромінювання через відрізок одномодового оптоволокна [2].
Найбільш часто вживаним напівпровідникових матеріалом для джерел світла для ВОЛЗ є твердий розчин Ga 1-x Al x As, який перекриває діапазон випромінювання 0,63-0,94 мкм. Напівпровідникові світловипромінюючі діоди на основ Ga 1-x Al x As володіють, як правило, невеликою потужністю випромінювання, що дозволяє вводити в волокно оптичну потужність до 1мВт і в залежності від складу мають ширину лінії випромінювання 2540 нм і термін служби 10 5 - 10 6 годин. Напівпровідникові лазери з подвійною гетероструктур на основі арсеніду галію генерують випромінювання в діапазоні довжин хвиль 0,83-0,94 мкм. Зсув смуги необхідно, щоб довжина хвилі випромінювання лазера не співпадала з смугою поглинання гідроксильної групи OH світловода [3].
Серйозним недоліком напівпровідникових лазерів (і не тільки вітчизняних) є мала напрацювання на відмову (довговічність) і деградація характеристик - зниження потужності в процесі експлуатації.
Якщо говорити про приймачах оптичного випромінювання - фотодиодах, то технологія їх виробництва була також відточена в рамках ВПК. Головним інститутом з розробки фотоприймачів був НДІ прикладної фізики (НІІПФ). Епітаксиальні структури для фотоприймачів на замовлення НІІПФ вирощували в "Гіредмет" Минцветмет [2].
Зазвичай в волоконно-оптичних лініях зв'язку в якості фотоприймачів використовуються лавинні і p-i-n фотодіоди. Фотоприймачі для ВОЛЗ повинні бути широкосмуговими, мати високе значення твору ширини смуги на коефіцієнт лавинного множення, мати низький рівень надлишкового шуму (для ЛД), бути швидкодіючими, мати малу ємність, малий темнової струм, бути стабільними до зовнішніх впливів, мати максимальну чутливість на довжині хвилі випромінювача і великий термін служби, а також забезпечувати можливість узгодження з наступним каскадом підсилювача.
Виконання цих суперечливих вимог дозволило створити серію фотодіодів в корпусах, зручних для з'єднання з ВОЛЗ з наступними параметрами:
- кремнієві p-i-n фотодіоди - струмовий чутливість 0,4-0,5 А / Вт, довжини хвиль - 0,85 мкм, швидкодія - 1-10 нс, темновой ток - 2-10 нА при робочій напрузі 5В (24 В);
- pin фотодіоди на основі гетероструктур InGaAsP / InP з робочими довжинами хвиль 1,3 і 1,55 мкм, струмового чутливістю 0,6-0,9 А / Вт, швидкодією 0,07-0,3 нс, темновим струмом 0,1 5 нА при робочій напрузі 5-10 В;
- германієві лавинні фотодіоди з робочими довжинами хвиль 1,3 мкм і 1,55 мкм з струмового чутливістю 6014 А / Вт, щільністю шумового струму (5-10) 10-12 А / Гц -1/2, швидкодією 0,1-0.6 нс , ємністю 0,6-2 пФ при робочій напрузі 30-100 В;
- фотоприймальні пристрої з p-i-n FET з робочими довжинами хвиль 1,3 і 1,55 мкм, пропускною здатністю 170-700МГц, чутливістю від -36 до 43 дБм.
Отже, до початку 90-х рр. у нас в країні була створена необхідна оптоелектронна елементна база для створення ВОЛЗ. Розробки були впроваджені в серійне виробництво і знайшли застосування при виробництві вітчизняної апаратури для ВОЛЗ, локальних мереж, кабельного телебачення та інших ліній зв'язку [2].